JP3825745B2 - 電極の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークトーチに関し、より詳細には、プラズマアークトーチ内に電気アークを支持する電極の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアークトーチは、通常、切断、溶接、表面処理、溶融および焼鈍を含む金属加工に用いられる。このようなトーチは、移行式アーク操作モードで電極から加工物へ延びるアークを支持する電極を含む。ガスの渦流によりアークを包囲することも通常行われ、いくつかのトーチ設計では、水の渦流噴射によりガスおよびアークを包囲することが通常行われる。
【０００３】
前述のタイプの従来のトーチで用いられる電極は、通常、例えば銅または銅合金などの高い熱伝導率の材料から成る細長管状部材を備えている。管状電極の前端すなわち放電端の底部端壁内には、アークを支持する放射性エレメントを有する。放射性エレメントは、比較的低い加工関数(work function)を有する材料から成り、加工関数は、当技術分野において、所要の温度で金属表面から熱イオンを放射させ得る電子ボルト（ｅＶ）で測定された電位のステップ関数として定義されている。加工関数が低いので、放射性エレメントが電子を容易に放射できる現象が、電気電位が放射性エレメントに加わると得られる。通常用いられる放射性材料は、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびこれらの合金を含む。いくつかの電極は、比較的非放射性のセパレータを含み、このセパレータは、放射性エレメントの周りに配置され、アークが放射性エレメントから銅製ホルダへ移動するのを防ぐ。
【０００４】
前述のタイプのトーチに生じる１つの問題は電極の寿命が短いことであり、この問題は、トーチが酸化ガス例えば酸素あるいは空気などで用いられる場合に顕著となる。より詳細には、当該ガスは、放射性エレメントを包囲する電極を成す銅を急速に酸化させる傾向を有し、銅が酸化すると、銅はより容易に放射する。その結果、放射性エレメントを包囲する酸化された銅が、放射性エレメントではなくアークを支持し始める点に到達する。この現象が生じると、銅酸化物および支持銅が溶融し、これによって、電極は早期に破壊され故障する。
【０００５】
多数の従来の電極では当該電極を組立てるには、金属製ホルダに放射性インサートを押し込むか、または、放射性がより低いあるいは比較的非放射性のスリーブすなわちセパレータに放射性インサートを押し込み、次いで、当該セパレータを金属製ホルダに押し込む。プレスばめ放射性エレメントとセパレータとホルダとの間の境界面は、比較的はっきり定められており、これによって、組立てられた電極の熱伝導率は悪影響を受ける。特に、電極を通って移動する熱は、当該境界面に出会い、当該境界面は、熱移動に対するバリヤとして機能し、したがって電極の熱移動能力を制限する。さらに、はっきり定められた境界面は応力集中部分として機能し、当該応力集中部分はアークを吸引し、電極の崩壊を加速させる。
【０００６】
放射性エレメントとセパレータとホルダとの間の境界面を「滑らかにする(smooth)」のを助けるために、本発明の譲受人は、"Electrode Diffusion Bonding"との名称の米国同時係属出願第０９／７７３８４７号（以下「８４７出願」という）に記載された拡散結合技術を開発した。８４７出願に記載の組立後加熱ステップは、セパレータと金属製ホルダとの間に拡散結合を形成する。拡散結合は、２つの材料の間の境界面を柔らかくするかあるいは滑らかにする一方、当該２つの材料の間の結合強度を高くする。その結果、電極の動作寿命が長くなる。
【０００７】
電極を形成する別の方法が、"Electrode Interface Bonding"との名称の別の米国同時係属出願第０９／８７１０７１号（以下「０７１出願」という）に記載されている。０７１出願において、金属間化合物が、放射性エレメントとセパレータとの間に形成され、これにより放射性エレメントとセパレータとの間の結合が改善される。金属間結合は、約１時間約９２６〜９８２℃（約１７００〜１８００#Ｆ）まで放射性エレメントおよびセパレータを加熱することにより形成される。第２の製造後加熱ステップを行って、セパレータと金属製ホルダとの間に共晶結合すなわち共晶接合を形成することも可能である。
【０００８】
８４７出願および０７１出願に記載の組立後加熱ステップは、従来技術を改善しているが、さらなる改善が望まれる。特に、電極で用いられる材料を調べると、多数の電極が、ハフニウム、ジルコニウムなどを含んで成る放射性エレメントと、銀、金、ニッケルなどを含んで成るセパレータと、銅を含んで成る金属製ホルダとを用いていることが分かる。８４７出願および０７１出願に記載の組立後加熱ステップは、放射性エレメントとセパレータとの間の結合および、セパレータとホルダとの間の結合を改善するが、これらの結合をさらに改善するかあるいは１つの好適な代替法を提供することが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、電極を形成する従来の方法および最近開発された方法を改善するために開発された。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
プラズマアークトーチの寿命および性能の欠点は、溶融したあるいは実質的に流動可能な非放射性材料に放射性エレメントを挿入し、次いで、この半完成品を冷却して組立体を形成し、この組立体を用いて電極を形成すると改善される。好適には、放射性エレメントおよび非放射性材料との間には強い結合が、比較的迅速に形成され、いくつかの場合、金属間化合物が、放射性エレメントと非放射性材料あるいは部材との間に形成され、当該金属間化合物は、１つの実施形態では、放射性エレメントと金属製ホルダとの間のセパレータとして機能する。したがって、本発明の電極は、従来の電極製造方法に比して、性能がより良好であり、より迅速に製造できる。
【００１１】
特に、本発明による電極の製造方法は、比較的非放射性の材料あるいは部材を加熱して、当該材料が実質的に流動可能になるようにすることを含む。この加熱ステップは、好ましくは、るつぼを用いて行われ、この場合、非放射性材料をるつぼ内で加熱して得られる温度は、少なくともほぼ当該材料の融点まで達する。放射性エレメントは、溶融した非放射性材料の上方に配置され、放射性エレメントは、落下して非放射性材料に入り得るかあるいは前進されて非放射性材料に少なくとも部分的に入り得る。力を用いて、放射性エレメントを前進させて非放射性材料に入れるかまたは放射性エレメントを非放射性材料に挿入するのを助けることも可能である。これにより得られた位置関係の状態は、次いで、所定の時間例えば約１分にわたり保持され、組立体は冷却される。１つの実施形態では、真空環境または減圧環境を放射性エレメントおよび非放射性材料の周りに形成することが、電極の製造の間に行われる。その結果、金属間化合物が、放射性エレメントと非放射性材料との間に形成され、当該金属間化合物により得られる結合は、拡散結合あるいは干渉はまり（しまりばめ）に比してより優れている。
【００１２】
１つの実施形態では、放射性エレメントおよび非放射性材料により形成された組立体は、次いで、電極の従来の金属製ホルダ内に位置決めされる。この位置決めステップは、ホルダに組立体を入れてプレスばめ、ろう付けあるいは溶接することを含む場合もある。代替的に、組立体自身が電極の前部を形成するように行われて、金属製ホルダを利用しないようにし得る。このようにして、組立体の非放射性部材の形状を形成するのが、当該非放射性部材が電極の大部分を形成するように行われ得る。これは好適である。何故ならば非放射性部材は、好ましくは、金属製ホルダを形成する従来の材料に比してより大きい熱伝導率を有する材料から形成される。例えば、金属製ホルダの代わりに用いる非放射性材料は、好ましくは、銀、金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから形成され、一方、金属製ホルダは、通常、銅から形成されるからである。
【００１３】
さらに別の実施形態では、金属製ホルダは、比較的非放射性の材料のための「るつぼ」として用いられ、この場合、非放射性材料のブランクが金属製ホルダすなわちるつぼ内で加熱されることが、当該ブラックが実質的に流動可能になるまで行われる。次いで放射性エレメントを非放射性材料に挿入するかかまたは前進させて非放射性材料に入れることが、好ましくは、加熱ステップの間に行われる。次いで金属製ホルダを所定の形状に形成するのが、電極を切断操作および溶接操作で用い得るように行われる。
【００１４】
好適には、放射性エレメントと非放射性材料との間に形成された金属間化合物の形成速度は、０７１出願に記載されたものより速い。より詳細には、本発明による金属間化合物形成ステップは、約１分のオーダで行われ、一方、０７１出願による金属間化合物形成ステップは、約１時間のオーダで行われる。したがって、本発明による電極製造プロセスにより、大幅に時間を節約できる一方、依然として、放射性エレメントと非放射性部材との間の結合を、従来の方法に比して改善することが得られる。
【００１５】
以上、本発明を一般的な用語を用いて説明したが、必ずしも正確な尺度で描かれてはいない添付図面を、以下参照していく。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明を、以下、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照して詳細に説明する。本発明は、しかしながら、多数の異なる形で実施でき、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、これらの実施形態は、本明細書の開示が完全完璧となり、当業者に本発明の範囲を完全に伝えるために記載されている。同一の参照番号は同一の要素を全図中示す。
【００１７】
図１〜図３において、本発明の特徴を実施しているプラズマアークトーチ１０が示されている。トーチ１０は、ノズルアセンブリ１２および管状電極１４を含む。電極１４は、好ましくは、銅あるいは銅合金から成り、上部管状部材１５と下部カップ状部材すなわちホルダ１６とから成る。上部管状部材１５は、細長で開いている管状構造を有し、トーチ１０の長手軸線に沿って位置合せされている。上部管状部材１５は、雌ねじ付下端部分１７を含む。ホルダ１６も管状構造を有し、下部前端および上部後端を含む。横断方向端部壁１８は、ホルダ１６の前端を閉じ、外側前面２０を形成する。ホルダ１６の後端は雄ねじが形成され、上部管状部材１５の下端部分１７に螺合されている。
【００１８】
ホルダ１６の後端１９は開いていて、ホルダがカップ状となり、内側キャビティ２２を形成するようになっている。内側キャビティ２２の表面３１が含む円柱２３は、長手軸線に沿って延びて内側キャビティに入っている。略円柱形キャビティ２４は、端部壁１８の前面２０内に形成され、長手軸線に沿って後方へ延びて、ホルダ１６の一部分に入っている。キャビティ２４は内側面ないしは内壁２７を含む。
【００１９】
１つの実施形態では、比較的非放射性の部材すなわちセパレータ３２がキャビティ２４内に位置決めされ、長手軸線に沿って同軸に配置されている。セパレータ３２の外側周辺壁３３は、キャビティ２４のほぼ全長にわたり延びている。１つの実施形態では（図示せず）、セパレータ３２の外側周辺壁３３の少なくとも一部分は、ホルダ１６により形成されている内側キャビティ２２に晒されている。周辺壁３３は、セパレータ３２の全長にわたりほぼ一定の外径を有するものとして示されているが、その他の幾何学的形態例えば円錐台なども、本発明の範囲に入る。セパレータ３２は、表面３７を有する内側キャビティ３５も形成している。セパレータ３２の外側端面３６は、ホルダ１６の前面２０と略面一である。
【００２０】
放射性エレメントすなわちインサート２８はセパレータ３２内に位置決めされ、長手軸線に沿って同軸に配置されている。より詳細には、放射性エレメント２８およびセパレータ３２は組立体を形成し、この場合、放射性エレメント２８をセパレータ３２に固定するのは、後述の独特な方法を用いて行う。金属間化合物の形成は、セパレータを形成する非放射性材料から成る液体浴すなわち溶融浴に放射性エレメントを挿入するかまたは前進させて入れることにより行われ、このようにして形成された金属間化合物は、詳しく後述するように当該放射性エレメントと当該非放射性材料との間に位置する。放射性エレメント２８の円形外側端面２９は、ホルダ１６の前面２０とセパレータ３２の外側端面３６とを含む平面内に位置する。放射性エレメント２８の略円形内側端面３０は、セパレータ３２により形成されているキャビティ３５内に配置され、外側端面２９に対向して位置する。内側端面３０は、しかしながら、その他の形状例えば尖頭状、多角形あるいは球形にして、放射性エレメント２８をセパレータ３２に固定するのを助けるようにすることも可能である。さらに、放射性エレメント２８の直径は、セパレータ３２の端面３６の外径の約３０〜８０パーセントであり、セパレータ３２は、外側端面３６の個所でおよびセパレータ３２の全長に沿って少なくとも約０．２５ミリメートル（０．０１インチ）の半径方向厚を有する。１つの特定の例として、放射性エレメント２８は、通常、約２．０３ミリメートル（約０．０８インチ）の直径と約６．３５ミリメートル（約０．２５インチ）の長さを有し、セパレータ３２の外径は約６．３５ミリメートル（約０．２５インチ）である。
【００２１】
放射性エレメント２８は、例えば約２．７〜４．２ｅＶの範囲内などの比較的低い加工関数を有する金属材料から成り、これによって、電子を容易に放射できる利点が、電気電位を放射性エレメント２８に加える際に得られる。このような材料の適切な例は、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびこれらの混合物である。
【００２２】
セパレータ３２を成す金属材料の加工関数は、ホルダ１６の材料の加工関数より大きいことが、Smithells Metal Reference Book, 6th Ed.に記載された値から分かる。より詳細には、好ましくは、セパレータ３２を成す金属材料の加工関数は、少なくとも約４．３ｅＶである。１つの好ましい実施形態では、セパレータ３２は銀を含んで成るが、その他の材料例えば金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金も用い得る。セパレータ３２に用いる材料は、高い熱伝導率、高い抗酸化性、高い融点、高い加工関数および低いコストを有さなければならない。１つの材料におけるこれらの特性のすべてを最大化するのは困難であるが、銀が、高い熱伝導率を有するので好ましい。
【００２３】
例えば、本発明の１つの特定の実施形態では、セパレータ３２を成す銀合金材料は、銀が、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜鉛およびこれらの合金から成る群から選択した１つの付加的な材料約０．２５〜１０パーセントと合金されたものである。当該付加的材料は、元素あるいは酸化物であり、したがって本明細書において「銅」との用語は、元素および酸化物の両方を意味し、「アルミニウム」などとの用語も同様である。
【００２４】
図１において、電極１４は、プラズマトーチ本体３８内に取付けられ、プラズマトーチ本体３８は、めいめいガス通路４０および液体通路４２を含む。トーチ本体３８は、外側絶縁ハウジング部材４４により包囲されている。管４６は、電極１４の中央孔４７内に懸吊され、液体冷却媒体例えば水が電極１４を通過して循環するようにする。管４６の外径は、孔４８の直径より小さく、これによって空間４９が管４６と孔４８との間に存在し、ひいては水が空間４９内を流れる現象は、水が管４６の開放下端から排出されると生じるようになっている。水はソース（図示せず）から管４６を通って流出し、内側キャビティ２２およびホルダ１６内を流れ、空間４９を通って戻って、トーチ本体３８内の開口５２に達し、ひいては排出ホース（図示せず）に達する。通路４２は噴射水をノズルアセンブリ１２内に導き、ノズルアセンブリ１２内で噴射水は渦流となってプラズマアークを包囲するが、この様子は後述する。ガス通路４０はガスを適切なソース（図示せず）から流出させ、適切な高温材料から成るガスバフル５４を通過させ、入口穴５８を通過させてガスプレナムチャンバ５６に流入させる。入口穴５８の配置は、ガスがプレナムチャンバ５６に流入する際に渦流となるようになっている。ガスは、ノズルアセンブリ１２の同軸孔６０、６２を通ってプレナムチャンバ５６から流出する。電極１４はガスバフル５４を係止している。高温プラスチック絶縁体本体５５は、ノズルアセンブリ１２を電極１４から電気的に絶縁する。
【００２５】
ノズルアセンブリ１２は、第１の孔６０を形成する上部ノズル部材６３と、第２の孔６２を形成する下部ノズル部材６４とを備えている。上部ノズル部材６３は、好ましくは、金属材料であり、下部ノズル部材６４は、金属材料またはセラミック材料である。上部ノズル部材６３の同軸孔６０は、トーチ電極１４の長手軸線と軸線方向で位置合せされている。下部ノズル部材６４を上部ノズル部材６３から分離することが、プラスチックスペーサ要素６５および水渦流リング６６を用いて行われている。上部ノズル部材６３と下部ノズル部材６４との間に設けられている空間は、水チャンバ６７を形成している。
【００２６】
下部ノズル部材６４が備えている円柱形本体部分７０は、前端部分すなわち下端部分と、後端部分すなわち上端部分とを形成し、孔６２は本体部分７０を通って同軸に延びている。環状取付けフランジ７１は後端部分に位置決めされ、円錐台形(frustoconical)表面７２は、第２の孔６２と同軸の前端部分の外面に設けられている。環状フランジ７１を下から支持するのが、内方へ向いているフランジ７３を用いてカップ７４の下端の個所で行われ、この場合、カップ７４は、相互接続ねじにより外側ハウジング部材４４に取外し可能に取付けられている。ガスケット７５が２つのフランジ７１、７３との間に配置されている。
【００２７】
下部ノズル部材６４内の孔６２は円柱形であり、孔６２を、上部ノズル部材６３内の孔６０と軸線方向で位置合せした状態を維持するのが、任意の適切なプラスチック材料から成るセンタリングスリーブ７８を用いて行われている。水はスリーブ７８内の開口８５を通って通路４２から流出し、渦流リング６６の噴射ポート８７に達し、噴射ポート８７は水を噴射して水チャンバ６７に入れる。噴射ポート８７は、渦流リング６６の周りに接線方向に配置されて、速度の渦流成分を、水チャンバ６７内の水流に付与する。水は孔６２を通って水チャンバ６７から流出する。
【００２８】
電源（図示せず）は、金属加工物と直列回路を成すようにトーチ電極１４に接続され、金属加工物は通常アースされている。操作中、プラズマアークが、アークのための陰極端末として機能する電極の放射性エレメント２８と、電源の陽極に接続されて下部ノズル部材６４の下方に位置する加工物との間に形成される。プラズマアークを従来通りの仕方で開始することが、電極１４とノズルアセンブリ１２との間にパイロットアークを一時的に形成し、次いで、当該アークを孔６０、６２を通って加工物へ移行させることにより行われる。
【００２９】
［製造方法］
本発明は、前述のタイプの電極の簡単な製造方法も提供するものである。図４〜図６は、本発明による電極の製造方法を示す。図４の（ａ）に示すように、比較的非放射性の材料から成るブランク６１は、るつぼ６０あるいはこれと等価のホルダに入れられ、これによって、ブランク６１を加熱して、ブランク６１が実質的に流動可能になるようにする。ブランク６１は、好ましくは、１つの中実の塊としてるつぼに入れられるが、代替的に、より小さいばらばらの小片を用いることも可能である。別の代替法として、ブランク６１は最初は粉末または液体の状態で、るつぼ６０に入れられることも可能である。
【００３０】
１つの好ましい実施形態では、ブランク６１を加熱して溶融させ、これによって、非放射性材料から成る浴が得られる。図４の（ａ）〜（ｂ）において、放射性エレメント２８をブランク６１に隣接するように配置して、例えば放射性エレメント２８がブランク６１に接触または接近するようにし、次いで、放射性エレメント２８をブランク６１に少なくとも部分的に挿入するかまたは、放射性エレメント２８を前進させてブランク６１に少なくとも部分的に入れることが、ブランク６１が溶融するかまたはほぼ流動可能になると行われる。１つの実施形態では、放射性エレメント２８は、重力により落下してブランク６１に少なくとも部分的に入るようになっているが、力を用いて放射性エレメント２８を前進させてブランク６１に入れるかまたは放射性エレメント２８をブランク６１に強制的に入れることも可能である。１つの実施形態では、放射性エレメント２８およびブランク６１を加熱するのが、所定の時間例えば約１分まで、より好ましくは約１５秒行われ、これによって、放射性エレメント２８とブランク６１との間の結合を形成するのを助けるようにする。特に、放射性エレメント２８を前進させてブランク６１に入れた後に行う付加的加熱により、より高い温度が得られるか、または単により長い時間ある特定の温度を維持することが得られ、これによって、金属間化合物を形成できることになり、この様子は後述する。加えて、減圧環境または真空環境を形成するのが、放射性エレメント２８をブランク６１に挿入する前でも、間でも、後でも可能である。これを行うことにより、溶解ガスを、加熱された材料から取除くことができ、これによって、放射性エレメント２８とブランク６１との間の結合がより強くなる。
【００３１】
図４の（ｃ）において、放射性エレメント２８およびブランク６１が、次いで、冷えるようにされて、組立体８８が形成され、この場合、ブランク６１が放射性エレメント２８の周りで凝固し、強い結合がブランク６１と放射性エレメント２８との間に形成される。放射性エレメント２８およびブランク６１が冷却されて、組立体８８が形成されると、組立体８８はるつぼ６０から取出されて、組立体８８をホルダ１６に挿入できるようになり、この様子は後述する。この実施形態では、ブランク６１はセパレータ３２として機能し、便宜上以後、セパレータ３２と呼ぶものとする。放射性エレメント２８の小部分２８Ａがセパレータ３２から延びている状態が、放射性エレメント２８をセパレータ３２に挿入すると得られ、この場合、放射性エレメント２８を把持または保持するのを、位置決め装置（図示せず）あるいはその他の工具を用いて行うのが、組立体形成プロセスの間に行われる。小さくて延びている部分２８Ａは、しかしながら、従来の技術を用いて容易に取除ける。
【００３２】
好適には、金属間化合物８９が放射性エレメント２８とセパレータ３２との間に形成される現象が、前述の組立体形成プロセスの間に生じる。金属間化合物８９は、放射性エレメント２８およびセパレータ３２に比してユニークな特性を有する別個の材料である。金属間化合物８９により得られる、放射性エレメント２８とセパレータ３２との間の結合は、プレスばめあるいは拡散結合に比して優れている。何故ならば金属間化合物８９の厚さは、通常、約２．５４〜２５．４マイクロメートル（約０．０００１〜約０．００１インチ）であり、例えば約１０．１６マイクロメートル（約０．０００４インチ）である。放射性エレメント２８をブランク６１に挿入することを、ブランクが溶融されると行うことにより、金属間化合物８９を形成する速度が、その他の方法例えば前述の０７１出願に記載のものなどに比して大幅に速くなる。特に、金属間化合物８９を本発明により形成するのは、約１分以下で得られ、一方、金属間化合物を形成するのを、０７１出願に記載のプロセスを用いて行うと約１時間かかる。このようにして、本発明の方法により、電極製造の速度が大幅に高まり、放射性エレメント２８とセパレータ３２との間の結合が改善される。
【００３３】
図５において、銅あるいは銅合金から成る円柱形ブランク９４が、前面９５および、前面９５に対向して位置する後面９６を有する形で得られる。次いで、略円柱形孔を形成するのを、例えばドリルを用いて前面９５内で長手軸線に沿って行い、これによって、キャビティ２４が得られ、この様子は前述した。次いで、放射性エレメント２８とセパレータ３２とから成る組立体をキャビティ２４に挿入するのを、例えばプレスばめにより行って、セパレータ３２の周辺壁３３がキャビティ２４の内壁２７に係合し、表面と表面との間の摩擦結合により内壁２７に固定するようにする。組立体をキャビティ２４に挿入するのは、ろう付け、溶接および等価の従来の方法によっても可能である。例えば、組立体をキャビティ２４に入れて溶接することは、摩擦溶接、抵抗溶接、電磁放電溶接(electo-magnetic discharge welding)あるいは爆発溶接により行い得る。
【００３４】
図６の１つの実施形態では、略平面状円形加工表面１００を有する工具９８の加工表面が、放射性エレメント２８の端面２９とセパレータ３２の端面３６とにめいめい接触されている。加工表面１００の外径は、円柱形ブランク９４内のキャビティ２４の直径より僅かに小さい。工具９８の加工表面１００がトーチ１０の長手軸線と略同軸である状態で工具９８を保持し、この状態で力を工具９８に加え、これによって、軸線方向の圧縮力が、放射性エレメント２８およびセパレータ３２に長手軸線に沿って加えられるようにする。例えば、工具９８を放射性エレメント２８およびセパレータ３２と接触するように位置決めし、次いで、工具９８を適切な装置例えば機械のラムなどにより打撃することも可能である。用いる特定の技術と無関係に、十分な力を加えて、放射性エレメント２８およびセパレータ３２を半径方向で外方へ変形し、これによって、放射性エレメント２８がセパレータ３２によりしっかりと把持および係止されるようにし、かつセパレータ３２がキャビティ２４によりしっかりと把持および係止されるようにする。しかしながら、慎重を期して、放射性エレメント２８とセパレータ３２との間の金属間化合物８９を破壊しないようにしなければならない。
【００３５】
図７〜図８は、本発明による１つの代替実施形態を示す。図７の（ａ）において、比較的非放射性の材料から成るブランク６１をるつぼ６０あるいは類似の装置内で加熱して、ブランク６１がほぼ流動可能になるようにし、例えばブランク６１が前述のように溶融するようにする。放射性エレメント２８を、前述の仕方と類似の仕方で挿入する。好適には、しかしながら、ブランク６１のサイズは大幅により大きく定められ、ブランク６１の直径が、前述の銅円柱形ブランク９４の直径と同じ大きさにする。このようにして、ブランク６１が、図７の（ｂ）に示すように加熱され、放射性エレメント２８が落下してまたは前進されてブランク６１に入った後、放射性エレメント２８およびブランク６１は、前述のように冷却されてるつぼ６０から取出されて、図８の（ａ）に示すように組立体７６が得られる。特に、組立体７６は前端９１および本体９３を有する。
【００３６】
図８の（ｂ）において、次いで、ブランク６１を所定の形状に形成して、非放射性ブランク６１が電極１４の大部分を形成するようにする。実際、非放射性ブランク６１の形状を形成する仕方は、銅円柱形ブランク９４を、前述の本発明の別の実施形態で形状を形成する仕方と類似であり、組立体７６の前端９１および本体９３が電極１４の下部前端を形成するようになっている。このようにして、銅製ホルダ１６の代わりに非放射性ブランク６１を用いることが本質的に可能である。ブランク６１を成す材料（例えば銀）のコストは、金属製ホルダ１６に用いられる材料（例えば銅）より高い一方、ブランク６１を形成する１つまたは複数の材料の熱伝導率およびその他の特性により電極の性能がより良くなって、電極製造コストを少なくとも部分的に補うものとなる。加えて、外側周辺壁３３と、ホルダキャビティ２４の内側面２７との間に存在する、ホルダを含む実施形態において前述した境界面は、図７〜図８の実施形態では取除かれており、これにより、熱が電極を通って移動して、内側キャビティ２２内を循環する冷却水に達する際の熱伝達がさらに改善される。
【００３７】
図９のさらに別の代替実施形態では、電極を形成するには、まず初めに、キャビティ２４を内部に有する金属製の円柱形ブランク９４を得、次いで、金属製の円柱形ブランク９４自身をるつぼとして用いて、比較的非放射性の材料から成るブランク６１を溶融させて、ブランク６１が、前述のようにそして図４〜図６に示すように十分に流動可能になるようにする。より詳細には、金属製の円柱形ブランク９４の融点は、ブランク６１の融点より高く、これによって、十分な熱を円柱形ブランク９４およびブランク６１に加えると、ブランク６１が溶融するかまたは十分に流動可能になるようになっており、これによって、ブランク６１に隣接して位置する放射性エレメント２８が、前述しかつ図９に破線により示すように、落下または前進して少なくとも部分的にブランク６１に入るようになっている。１つの実施形態では、当該コンポーネントを所定の時間例えば約１分、より好ましくは約１５秒さらに加熱し続けるが、このステップは必ずしも必要ではない。好適には、金属間化合物８９を、放射性エレメント２８と、ブランク６１を成す比較的非放射性の材料との間に形成する。加えて、共晶合金１０２も、ブランク６１と金属製の円柱形ブランク９４との間に形成される。いったん放射性エレメント２８が、ブランク６１内に適宜位置決めされると、放射性エレメント２８とブランク６１と円柱形ブランク９４とは冷却されて、当該コンポーネントが互いにしっかりと結合されることになり、この場合、金属間化合物８９が、放射性エレメント２８と、ブランク６１から形成されたセパレータ３２との間に位置し、共晶合金１０２が、セパレータ３２と円柱形ブランク９４との間に位置する。次いで、円柱形ブランク９４の形状を形成して、前述しかつ図９に破線により示したホルダ１６を得る。図９の実施形態は好適である。何故ならば、別個のるつぼを用いて、ブランク６１を成す比較的非放射性材料を加熱して、ブランク６１が流動可能になるようにする必要がないからである。したがって、放射性エレメント２８とセパレータ３２とホルダ１６との間の結合を、非常に僅かな数のステップ好ましくはただ１つのステップで得られる。
【００３８】
図１０の別のプロセスも、電極の強度を高くし、したがって、電極の動作寿命を延ばす。特に、図１０は、プレス工具９７を用いて電極の前端で行う襞付けプロセスを示す。プレス工具９７は金属製の円柱形ブランク９４の外面に当って、半径方向内方へ向かって当該外面を押圧して、円柱形ブランク９４とセパレータ３２と放射性エレメント２８をプレスして一緒にし、これにより当該複数の材料がさらに互いに結合して一緒になる。１つの実施形態では、金属製の円柱形ブランク９４の半径を長さｄだけ短くし、長さｄは、１つの実施形態では約１．２７〜２．５４ミリメートル（約０．０５０〜０．１００インチ）である。外側形状も、襞付けの間に変化させ得、例えば円柱形ブランクを、図示のように六角形形状に変化させ得る。襞付けプロセスを行うのは、円柱形ブランク９４を機械加工してほぼ仕上り形状を得てからでもよい。
【００３９】
襞付けプロセスは少なくとも２つの利点をもたらす。１つの利点は、プレス作用により放射性エレメント２８とセパレータ３２と金属製の円柱形ブランク９４との間のいかなる空隙もほぼ除去されることである。これは重要である。何故ならば空隙は応力集中部分となり、応力集中部分により電極が早期に故障することもあるからである。襞付けを用いない（ひいては空隙を閉じない）場合、電極の寿命は短く、例えば約０〜２０分である。襞付けを行うと、しかしながら、電極の寿命はより大きいオーダとなり、例えば３００〜４００分以上となる。しかしながら、慎重を期することが、プレス作用の間、必要である。何故ならば電極を過度に襞付けすると、電極のコンポーネント間に形成された結合および／または放射性エレメント２８とブランク６１との間に形成された金属間化合物８９を破壊あるいは損傷することがあるからである。加えて、襞付けプロセスは、セパレータ３２および金属製の円柱形ブランク９４を含んで成るものとして説明されたが、襞付けプロセスは、前述されかつ図７〜図８に示す実施形態で行うことも可能であり、この場合、非放射性ブランク６１を適宜サイズ決めして、金属製の円柱形ブランク９４の代わりに用い得るようにする。
【００４０】
図３および図８の（ｂ）において、本発明による完成された電極の横断面図が示されている。図３に示すように、ホルダ１６の製造を完成するには、円柱形ブランク９４の後面９６を機械加工して、内側キャビティ２２を内部に有する開いたカップ状形状を成すようにする。好適には、内側キャビティ２２は、内側環状凹部８２を含み、凹部８２は円柱２３を形成し、セパレータ３２および放射性エレメント２８の一部分を同軸に包囲している。加えて、内側環状凹部８２は内面８３を含む。換言すると、内側環状凹部８２を形成するのは、例えばトレパンニング（心残し削り）あるいはその他の機械加工を用いて行い、これによって円柱２３を形成する。円柱形ブランク９４の外側周辺も、所望のように形状を形成され、この場合、ホルダ１６の後端１９の個所に雄ねじ１０２が形成される。最後に、円柱形ブランク９４の前面９５と、放射性エレメント２８の端面２９と、セパレータ３２の端面３６とをめいめい機械加工して、前面９５と端面２９と端面３６とを互いに面一にする。同様のプロセスを、図８の（ｂ）に示す電極にも適用できるが、図８の（ｂ）の実施形態では、ブランク６１を機械加工して、内側キャビティ２２および前述の類似のエレメントを形成するようにしている。
【００４１】
図１１は、ホルダ１６の端部正面図を示す。図から分かるように、セパレータ３２の端面３６は、放射性エレメント２８の端面２９を、ホルダ１６の前面２０から分離している。端面３６は環状であり、内側１０４および外周１０６を有する。セパレータ３２は、アークが放射性エレメントから離れて、ホルダ１６に付着するのを防ぐように機能する。
【００４２】
このようにして、本発明は、プラズマアークトーチで用いる電極１４と、電極の製造方法とを提供するものであり、この場合、金属間化合物８９が、放射性エレメント２８とセパレータ３２あるいは非放射性材料すなわち非放射性ブランク６１との間に形成されることが、ブランクを溶融させて、放射性エレメントを溶融ブランクに挿入することにより行われる。非放射性材料が冷却され、放射性エレメントの周りで凝固すると、得られた金属間化合物８９が、非放射性材料と放射性エレメントとの間に強い結合を形成する。好適には、本発明の電極は、迅速かつ容易に製造できる。より詳細には、本発明の金属間化合物８９が形成される速度は、従来の技術に比して５０倍以上速い。このようにして、本発明による電極の製造のコストは小さく時間は短くなる一方、強くて寿命が長い電極が得られる。
【００４３】
本発明の多数の変更およびその他の実施形態が、前述の説明および関連図面に記載の教示の利益を受けた当業者には思い浮かぶであろう。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、変更およびその他の実施形態は、請求の範囲に含まれるものとする。特定の用語を本明細書で用いたが、これらの用語は、一般的かつ説明的な意味でのみ用いられ、限定を目的としていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するプラズマアークトーチの縦断面図である。
【図２】本発明による電極の拡大斜視図である。
【図３】図２の縦断面図である。
【図４】本発明による第１の電極製造方法を成すステップを順に概略的に示す図であり、（ａ）および（ｂ）は断面図、（ｃ）は側面図である。
【図５】本発明による第１の電極製造方法を成すステップを概略的に示す断面図である。
【図６】本発明による第１の電極製造方法を成すステップを概略的に示す断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明による第２の電極製造方法を成すステップを概略的に示す図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、本発明による第２の電極製造方法を成すステップを概略的に示す断面図である。
【図９】本発明による第３の電極製造方法を概略的に示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による襞付け操作を示す、電極を大幅に拡大して示す断面図である。
【図１１】本発明による仕上り電極の端部の正面図である。
【符号の説明】
１０ プラズマアークトーチ
１４ 電極
１６ 金属製ホルダ
２４ キャビティ
２８ 放射性エレメント
６０ るつぼ
６１ 比較的非放射性の材料から成るブランク
７６、８８ 組立体
８９ 金属間化合物
９１ 前端
９３ 本体
９７ プレス工具

Claims (60)

1. プラズマトーチ内にアークを支持できる電極の製造方法であって、
   キャビティが前端内に形成されている金属製ホルダを設けるステップと、
   実質的に流動可能になるまで非放射性の部材を加熱するステップと、
   非放射性部材に放射性エレメントを少なくとも部分的に挿入し、これによって、非放射性部材と放射性エレメントとを結合して一緒にし、組立体を形成するステップと、
   組立体を金属製ホルダに入れて位置決めするステップと、
   を含む電極の製造方法。
2. 前記放射性エレメントを前記非放射性部材に少なくとも部分的に挿入した後に、所定の時間にわたり前記組立体を加熱することがさらに行われることを含んで成る、請求項１に記載の電極の製造方法。
3. 前記挿入ステップの後に、組立体を冷却するステップがさらに行われることを含んで成る、請求項１に記載の電極の製造方法。
4. 前記冷却ステップは、前記位置決めステップの前に行われる、請求項３に記載の電極の製造方法。
5. 前記位置決めステップは、金属製ホルダのキャビティに組立体を押し込むことを含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
6. 前記挿入ステップは、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した放射性エレメントを挿入することを含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
7. 前記挿入ステップは、銀、金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した非放射性の部材に放射性エレメントを挿入することを含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
8. 前記加熱ステップは、るつぼ内で非放射性部材を加熱して、非放射性部材が実質的に溶融するようにすることを含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
9. 放射性エレメントおよび非放射性部材の周りに真空環境を形成するステップをさらに含んで成る、請求項１に記載の電極の製造方法。
10. 前記環境形成ステップは、前記挿入ステップの前に行われる、請求項９に記載の電極の製造方法。
11. 前記挿入ステップでは、非放射性部材に放射性エレメントを強制的に挿入することが、非放射性部材が実質的に流動可能になると行われることを含む、請求項１に記載の電極の製造方法。
12. 金属製ホルダを半径方向内方へプレスすることにより組立体および金属製ホルダに襞付けするステップをさらに含んで成る、請求項１に記載の電極の製造方法。
13. 前記挿入ステップの後に、金属製ホルダおよび組立体を所定の形状に形成するステップが行われる、請求項１に記載の電極の製造方法。
14. プラズマトーチ内にアークを支持できる電極の製造方法であって、
    金属製ホルダの前端内にキャビティが形成されている金属製ホルダを設けるステップと、
    非放射性の部材と接触するように放射性エレメントを位置決めするステップと、
    非放射性部材がほぼ流動可能になり、放射性エレメントが前進して非放射性部材に少なくとも部分的に入って組立体を形成するまで少なくとも非放射性部材を加熱するステップと、
    金属製ホルダに組立体を入れて位置決めするステップと、
    を備えて成る電極の製造方法。
15. 前記加熱ステップは、少なくとも非放射性部材を加熱して、放射性エレメントが、少なくとも部分的に重力に起因して前進して非放射性部材に入るようにすることを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
16. 放射性エレメントが前進して非放射性部材に入った後に、所定の時間にわたり組立体を加熱することが行われることをさらに含んで成る、請求項１４に記載の電極の製造方法。
17. 前記加熱ステップの後に、組立体を冷却するステップが行われることを含んで成る、請求項１４に記載の電極の製造方法。
18. 前記冷却ステップは、前記位置決めステップの前に行われる、請求項１４に記載の電極の製造方法。
19. 前記加熱ステップは、少なくとも非放射性部材を加熱して、放射性エレメントが、実質的に重力に起因して前進して非放射性部材に入るようにすることを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
20. 前記位置決めステップは、金属製ホルダのキャビティに組立体を押し込むことを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
21. 前記位置決めステップは、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した放射性エレメントを位置決めすることを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
22. 前記位置決めステップは、銀、金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した非放射性の部材に隣接して位置するように放射性エレメントを位置決めすることを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
23. 前記加熱ステップは、るつぼ内で非放射性部材を加熱して、非放射性部材が実質的に溶融するようにすることを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
24. 放射性エレメントおよび非放射性部材の周りに真空環境を形成するステップをさらに含んで成る、請求項１４に記載の電極の製造方法。
25. 前記環境形成ステップは、前記挿入ステップの前に行われる、請求項２４に記載の電極の製造方法。
26. 前記位置決めステップでは、金属製ホルダに組立体を入れて位置決めすることが、プレスばめ、ろう付け、溶接から選択した１つの方法を用いて行われることを含む、請求項１４に記載の電極の製造方法。
27. 前記溶接は、摩擦溶接、抵抗溶接、電磁放電溶接および爆発溶接から成る群から選択される、請求項２６に記載の電極の製造方法。
28. プラズマトーチ内にアークを支持できる電極の製造方法であって、
    非放射性の部材に隣接して位置するように放射性エレメントを位置決めするステップと、
    非放射性部材が実質的に流動可能になり、放射性エレメントが前進して非放射性部材に少なくとも部分的に入って、前端および本体を有する組立体を形成するまで少なくとも非放射性部材を加熱するステップと、
    組立体を冷却するステップと、
    非放射性部材が電極を構成するように組立体の形状を形成するステップと、
    を含んで成る電極の製造方法。
29. 前記形状形成ステップは、組立体の前端が電極の前端を形成するように行われることを含む、請求項２８に記載の電極の製造方法。
30. プラズマトーチ内にアークを支持できる電極の製造方法であって、
    金属製ホルダの前端内にキャビティが形成されている金属製ホルダを設けるステップと、
    非放射性である実質的に流動可能な材料の浴を設けるステップと、
    放射性エレメントを前進させて浴に少なくとも部分的に入れるステップと、
    浴を冷却することが、放射性エレメントが少なくとも部分的に浴に入った状態で行われ、これによって、非放射性材料が放射性エレメントの周りで凝固して組立体を形成するようにするステップと、
    金属製ホルダに組立体を入れて位置決めするステップと、
    を備えて成る電極の製造方法。
31. 所定の形状に金属製ホルダおよび組立体を形成するステップが、前 記位置決めステップの後に行われることをさらに含んで成る、請求項３０に記載の製造方法。
32. 前記浴冷却ステップが、浴を冷却して、金属間化合物が放射性エレメントと非放射性材料との間に生じるようにすることを含む、請求項３０に記載の電極の製造方法。
33. 所定の時間にわたり、浴に放射性エレメントを少なくとも部分的に入れた状態を維持するステップをさらに含んで成る、請求項３０に記載の電極の製造方法。
34. 前記所定の時間は約１分以下である、請求項３３に記載の電極の製造方法。
35. 前記位置決めステップは、金属製ホルダのキャビティに組立体を押し込むことを含む、請求項３０に記載の電極の製造方法。
36. 前記前進ステップは、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した放射性エレメントを前進させることを含む、請求項３０に記載の電極の製造方法。
37. 前記浴を設けるステップは、銀、金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した浴を設けることを含む、請求項３０に記載の電極の製造方法。
38. 前記浴を設けるステップは、るつぼ内で非放射性材料を加熱して、非放射性材料が実質的に流動可能になるようにすることを含む、請求項３０に記載の電極の製造方法。
39. 前記前進ステップの前に、放射性エレメントおよび浴の周りに真空環境を形成するステップが行われることをさらに含んで成る、請求項３０に記載の電極の製造方法。
40. プラズマトーチ内にアークを支持できる電極の金属製ホルダで用いる組立体の製造方法であって、
    非放射性である実質的に流動可能な材料から成る浴を設けるステップと、
    放射性エレメントを前進させて浴に少なくとも部分的に入れるステップと、
    浴内に少なくとも部分的に放射性エレメントに入っている状態で浴を冷却し、これによって、非放射性材料が放射性エレメントの周りに凝固して組立体を形成するステップと、
    プラズマトーチの金属製ホルダで用いるように組立体の形状を形成するステップと、
    を含んで成る電極の製造方法。
41. 前記浴冷却ステップは、浴を冷却して、金属間化合物が放射性エレメントと非放射性材料との間に生じるようにすることを含む、請求項４０に記載の電極の製造方法。
42. 前記浴冷却ステップの前に、所定の時間にわたり浴に放射性エレメントを少なくとも部分的に入れた状態を維持するステップが行われることを含んで成る、請求項４０に記載の電極の製造方法。
43. 前記所定の時間は約１分以下である、請求項４２に記載の電極の製造方法。
44. 前記前進ステップは、ハフニウム、ジルコニウム、タングステンおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した放射性エレメントを前進させることを含む、請求項４０に記載の電極の製造方法。
45. 前記浴を設けるステップは、銀、金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した浴を設けることを含む、請求項４０に記載の電極の製造方法。
46. プラズマトーチ内にアークを支持できる電極の製造方法であって、
    金属製ホルダの前端内にキャビティが形成されている金属製ホルダを設けるステップと、
    非放射性の部材を金属製ホルダのキャビティに入れて位置決めするステップと、
    金属製ホルダおよび非放射性部材を加熱して、非放射性部材が実質的に流動可能になるようにするステップと、
    実質的に流動可能な非放射性部材に放射性エレメントを少なくとも部分的に挿入して、放射性エレメントと非放射性部材とを互いに結合して一緒にするようにするステップと、
    を含んで成る電極の製造方法。
47. 所定の時間にわたり放射性エレメントと非放射性部材と金属製ホルダとを加熱することが、放射性エレメントを非放射性部材に少なくとも部分的に挿入した後に行われることがさらに含んで成る、請求項４６に記載の電極の製造方法。
48. 前記挿入ステップの後に、放射性エレメントと非放射性部材と金属製ホルダとを冷却するステップが行われることをさらに含んで成る、請求項４６に記載の電極の製造方法。
49. 前記冷却ステップは、放射性エレメントと非放射性部材と金属製ホルダとを冷却して、金属間化合物が放射性エレメントと非放射性部材との間に生じるようにすることを含む、請求項４８に記載の電極の製造方法。
50. 前記冷却ステップは、放射性エレメントと非放射性部材と金属製ホルダとを冷却して、金属間化合物が放射性エレメントと非放射性部材との間に生じ、かつ共晶合金が非放射性部材と金属製ホルダとの間に生じるようにすることを含む、請求項４８に記載の電極の製造方法。
51. 金属製ホルダを所定の形状に形成するステップをさらに含んで成る、請求項４６に記載の電極の製造方法。
52. 前記形状形成ステップは、金属製ホルダと放射性エレメントと非放射性部材とが電極の平面状前端を形成するように金属製ホルダの形状を形成する、請求項５１に記載の電極の製造方法。
53. 前記形成ステップは、非放射性部材の一部分が後部キャビティに晒されて位置するように、後部にキャビティを形成して金属製ホルダの形状を形成する、請求項５１に記載の電極の製造方法。
54. 放射性エレメントと非放射性部材と金属製ホルダとの周りに真空環境を形成するステップをさらに含んで成る、請求項４６に記載の電極の製造方法。
55. 前記挿入ステップの前に、前記環境形成ステップは行われる、請求項５４に記載の電極の製造方法。
56. 前記加熱ステップと前記挿入ステップとはほぼ同時に行われる、請求項４６に記載の電極の製造方法。
57. 前記挿入ステップでは、放射性エレメントを非放射性部材に強制的に挿入することが、非放射性部材が実質的に流動可能になると行われることを含む、請求項４６に記載の電極の製造方法。
58. 前記挿入ステップは、実質的に重力により放射性エレメントを挿入することを含む、請求項４６に記載の電極の製造方法。
59. 金属製ホルダを設けるステップが、銅、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した金属製ホルダを設けることを含む、請求項４６に記載の電極の製造方法。
60. 前記位置決めステップは、銀、金、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、モネルおよびこれらの合金から成る群から選択した材料のうちの少なくとも１つから実質的に形成した非放射性の部材を位置決めすることを含む、請求項４６に記載の電極の製造方法。

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